Elektrik şebekesi

Elektrik şebekesi üretilen elektrik enerjisini kullanıcılara iletmek için oluşturulmuş bileşik bir ağdır. Elektrik gücü üreten enerji santralları, üretim kaynaklarından talep merkezlerine enerji aktaran iletim (nakil) hatları ve kullanıcılara bağlantı sağlayan bileşik dağıtım hatlarından oluşur.

Enerji santralları yakıt kaynaklarına erişim olan yerlerde, baraj bölgelerinde ya da yenilenebilir enerji kaynaklarına yakın olan bölgelerde ve de çoğunlukla yerleşim alanlarından uzakta konumlanmıştır. Ekonomik ölçekli olması için genellikle oldukça büyük boyutlarda inşa edilirler. Üretilen elektrik enerjisi, gerilimi yükseltilerek iletim şebekesine aktarılır.

İletim şebekesi elektrik enerjisini uzak mesafelere, zaman zaman bir ülkenin sınırları haricinde de olabilen dağıtım merkezlerine aktarır. Bu dağıtım merkezleri genellikle yerel dağıtım ağını işleten kuruluşlardır.

İkincil(indirici) merkeze ulaşan elektrik enerjisi, iletim hattı gerilim seviyelerinden dağıtım gerilimi seviyesine indirilir. İndirici merkez çıkışında elektrik enerjisi dağıtım şebekesine aktarılır. Son olarak da servis merkezine ulaşan elektrik enerjisi dağıtım gerilimi seviyesinden gereksinim duyulan servis gerilim(ler)ine indirilir.

Şebeke
Şebeke terimi genel olarak bütünleşik bir ağ anlamında kullanılır ve belirli bir fiziksel nitelik ya da ölçeği ifade etmez. Tüm bir kıtanın elektrik ağını ifade edebileceği gibi bir sistem operatörüne ait iletim ağını ya da yerel bir dağıtım ağını da ifade edebilir.

Tarihçe
Sanayi Devrimi ile birlikte öncelikle birbirinden tecrit edilmiş ve belirli bir coğrafi alanı kapsayacak şekilde kurulan elektrik şebekeleri, zaman içinde genişleyerek pek çok alanı kapsayan bütünleşik ağlara dönüşmüştür. Önceleri tüm enerji üretimi talep merkezleri yakınında yapılmaktaydı. 19. yüzyıl başlarında elektrik enerjisi, buhar, hidrolik güç, ısı enerjisi, ışık ve en önemlisi doğalgaz ile rekabet edebilecek yenilikçi bir buluş haline gelmişti. Bu dönemde doğal gazın üretim ve dağıtımı çağdaş enerji endüstrisinin başlıca unsuruydu. Gaz üretimi öncelikle kullanıcının mülkiyetinde olarak başlamış, daha sonra büyük ölçekli gaz üretim tesisleri kurulmuştur. Konutlardaki enerji tüketimi ağırlıklı olarak gaza dayalı olduğundan, Amerika Birleşik Devletleri'nde hemen her kent belediyesinin bir gaz dağıtım sistemi mevcuttu. Gaz lambalarının yeterli ışık şiddeti sağlayamaması, enerjinin büyük kısmının ısı olarak yitirilmesi, evleri kötü kokutması, karbon monoksit gibi zararlı kimyasallar açığa çıkarması gibi nedenlerden ötürü 19. yüzyıl ortalarında elektrikle aydınlatma, istikrarsız gaz lambalarıyla kıyaslandığında daha avantajlı konuma gelmiştir. Gazlı aydınlatma endüstrisinin ardından, yeni bir modelleme ile Thomas Edison ana bir kaynaktan aydınlatma kullanıcılarına elektrik enerjisini ileten ilk elektrik sistemini geliştirdi. Bu gelişme ile birlikte elektrik kuruluşları da merkezcil ve büyük ölçekte üretim, dağıtım ve sistem yönetimi uygulamalarına geçtiler.

20. yüzyıl boyunca elektrik kuruluşlarının kurumsal yapılaşması değişime uğradı. Önceleri Elektrik kuruluşlarının şebekeleri belirli bir bölgeye hizmet veren, diğer kuruluşların şebekelerinden bağımsız sistemlerdi. 1920'lerde kuruluşlar birlikte hareket etmenin azami yük kapsaması ve yedek yük gereksinimleri gibi durumlarda avantajlarını fark ederek şebekelerini birleştirmeye başladılar. Elektrik kuruluşları ayrıca Wall Street gibi sermaye piyasalarından girişimlerini destekleyecek büyük miktarlarda finansman desteği sağladılar. 1934 yılında ABD'de nın kabulü ile elektrik kuruluşları gaz, su ve telefon şirketleri gibi kamusal mal olarak geçerlilik kazanmış, işleyişleri yazılı kurallarla düzenlenmiştir. Bunu izleyen 60 yıl Resmî yönetmelikler dönemi olarak sürmüştür. 1970'lerde havayolları ve telekomünikasyon kuruluşları üzerindeki devlet denetiminin kaldırılması ve 1992 tarihli Enerji Politikası Yasası ile elektrik kuruluşları üzerindeki devlet kısıtlamaları da azalamış ve toptan satış piyasaları oluşmaya başlamıştır. Bu dönemde elektrik üretim kuruluşlarının iletim hattı işletmecilerinin şebekelerine açık erişimi bir gereklilik olmuştur.

Serbestleşme
Serbestleşme ile birlikte tüm şebekenin işleyişini yöneten geleneksel dikey yapılanmalı tekelci sisteme koşut olarak daha komplex bir ortam şekillendi. Üretim tesisi yapımına karar veren ve gerçekleştiren Bağımsız Enerji Tedarikçileri (Independent Power Providers - IPP), iletim şebekesi ekipmanları inşa edip işleten İletim Şirketleri (Transmission Companies - TRANSCO) son kullanıcıya elektrik satışı, servisi ve faturalandırma hizmeti sağlayan dağıtım şirketleri, IPP ve dağıtım şirketleri bulunan entegre enerji kuruluşları ve Bağımsız Sistem İşletmecileri - ISO gibi yeni katılımcılar pazara girdiler. Ayrıca günlük ve uzun vadeli işlemler değişime uğradı. Önceden uzun vadeli planlama ile yapılan altyapı çalışmaları artık vergi oranları, işçilik, malzeme maliyetleri ve finansman gibi ekonomik kaygılar güden ve IPP'ler tarafından yapılan bir yatırım analizi sürecine dönüştü. Önceden orta vadeli planlama ile yapılan yük ve tedarik yönetimi, belli bir son kullanıcı ve aktif varlık portföyü bulunan özel şirketlerin risk önceliklerine göre belirlenen bir risk yönetimine dönüştü. Kullanımı önceden tahmin edip kaynakları yönlendirmeye dayalı kısa vadeli gündelik planlama, enerji santralları ve şebeke ekipmanları artık birer aktif varlık haline geldiğinden varlık yönetimi sistemine evrimleşti. Burada ISO'lar, arz-talep fiyat dengelerini esas alarak sevkiyat planlamasını belirler oldu. Sistem arızalarını en aza indirmek için bir iletim hattındaki yük akışı nominal kapasite değerlerinin altında olmalıdır. Buna rağmen halihazırda şirketler iletim hatlarını limitlerine çok yakın değerlerde kullanmaktadırlar. İlave olarak, elektrik kuruluşları diğer kuruluşların şebekeleriyle enerji alışverişi yaptığından tüm olası istikametlerde yük akışı olabilmektedir. Dolayısıyla üretim ve iletim hattının herhangi bir noktasındaki yük değişimi diğer tüm noktalardaki yük dengesine etki etmektedir. Bu durum sıklıkla öngörülemeyen ve kontrol edilemeyen bir şekilde gerçekleşmektedir. Uzun bir iletim hattının kapasitesi kısa bir hatta oranla genellikle daha yüksektir. Eğer durum böyle değilse iletim hattının kırılmasıyla sonuçlanabilen kararsız yük akışları meydana gelebilir. Buna benzer faz ve gerilim dalgalanmaları bir kesicinin atmasından kaynaklanan 1965 Kuzeydoğu Enerji Kesintisi ya da ağacın üzerine bel veren bir iletim hattından kaynaklanan 2003 Kuzeydoğu Enerji Kesintisi gibi sistem kesilmelerine yol açabilmektedir. Daha da ötesi ekonomik faktörlerle belirlenen rastgele konumlanmış IPPler ve üretim birimlerinin ana tüketim bölgelerine uzak oluşunun güç arzına ters etkileri olmaktadır. Ayrıca elektrik kuruluşları rekabet koşullarından ötürü yük akışları ya da kesinti istatistikleri gibi sistem arızalarını engelleyici bazı kritik bilgileri kamuoyuyla paylaşmamaktadırlar. Sonuç olarak elektrik şebekeleri ekonomik faktörleri şebeke fiziksel performans kriterleriyle yeteri kadar örtüşmemektedir. Pek çok uzman gelecekteki olası ciddi sonuçları önleyecek temel değişiklikleri savunmaktadır.

Birbiriyle senkron olmayan iki alternatif akım şebekesini birbirine bağlamak için yüksek-gerilim doğru akım (HVDC) hatları ya da frekansı değişken trafolar kullanılmaktadır. Bunun avantajı daha geniş bir alanda senkronizasyona gerek kalmadan büyük şebekeler arasında arabağlantıya imkân vermesidir. Örnek olması için sağdaki Avrupa senkron şebekeleri haritası HVDC hatları haritasıyla karşılaştırılabilir.

Yedeklilik ve "şebeke" tanımı
Bir kasaba ancak birden fazla yedekli üreteçten beslenecek şekilde ve genellikle uzun menzil nakil hatları üzerinden elektrik şebekesine bağlanırsa bir "şebeke bağlantısı"'ndan söz edilebilir.

Burada yedeklilik kavramı sınırlıdır. Mevcut ulusal ya da yerel şebekeler ancak belli bir oranda yedekli bağlantıya izin vermektedir. Besleme altyapısının bir şebeke olabilmesi için yapılan tasarım ve geliştirme düzeyi genellikle keyfi belirlenmiştir. Benzer olarak, günümüzde elektrik şebekeleri altyapısı çoğu yerde ulusal sınırlardan bağımsız hale gelmiş olduğundan millî şebeke kavramı da bir anlamda tarihsel bir yanılgıya dönüşmüştür.Dolayısıyla yerel bağlantılar için dağıtım şebekesi, uzun menzilli iletim hatları için İletim şebekesi terimleri tercih edilmekle beraber millî şebeke terimi de tüm şebekeyi tanımlamakta halen kullanılmaktadır.

Yaşlanan altyapı
Yenilikçi kurumsal yapılanmalar ve elektrik şebeke tasarımlarına rağmen gelişen dünyadaki şebeke altyapıları ekipman olarak yaşlanmaktadır. Elektrik şebekesinin mevcut durumunu etkileyen dört temel etken şunlardır:
Yaşlanmış ekipmanlar - eski ekipmanların hata oranı yüksektir, yüksek kesinti oranlarına sebebiyet verir, ekonomiyi ve toplumsan yaşamı olumsuz etkiler; ayrıca eski varlıklar ve tesisler daha yüksek işletme maliyetlerine sahiptir.
Günü geçmiş şebeke planları - eski yerleşim bölgelerinde ciddi miktarda ilave alt istasyon gereksinimi vardır, bu bölgelerde genelde ilave tesis yapacak alan bulunamadığından eski yetersiz tesislerin kullanımı zorunludur.
Demode mühendislik - enerji tedariki planlamasında kullanılan geleneksel araç gereç ve mühendislik yaklaşımları, yaşlanmış ekipman sorunları, çağdışı kalmış şebeke planları ve modern serbest yük seviyelerine cevap verememektedir.
Eski kültürel yapı - sistemlerin eski moda dikey yapılanmalı enerji endüstrisindeki planlama, mühendislik, işletme yaklaşımları ile yeni liberalleşmiş endüstri yapısında idamesi zor olmaktadır.

Modern eğilimler
21nci yüzyıl ilerledikçe elektrik kurumları endüstrisi büyüyen enerji talebine karşılık verebilmek için yenilikçi yaklaşımlar arayışındadır. Kurumlar klasik topolojilerini yeni dağınık üretim modeline uydurabilme baskısı altındadırlar. Çatıya monteli güneş enerjisi üreteçleri, rüzgâr santalları gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı arttıkça iletim ve dağıtım kavramları arasındaki ayrım bulanıklaşmaya devam edecektir. Ayrıca, bireysel ya da sanayi kullanıcılarından elektronik ya da manuel yöntemler kullanarak tüketimlerini azaltmalarını talep etmek olan talep cevabı (demand response) yöntemi de önemli bir sistem yönetim aracı olmaktadır. Halihazırda iletim şebekesi operatörleri endüstriyel tesisler gibi belli başlı kurumsal kullanıcılardan talep cevabı yöntemini kullanarak tüketimlerini düşürmelerini talep etmektedirler.

Tamamen enterkonnekte bir sistem ve açık rekabet koşullarının uygulandığı serbest pazar ekonomisi ile birlikte dağınık üretime izin vermek ve hatta teşvik etmek anlamlı olmaktadır. Daha küçük ve genellikle enerji kurumunun malı olmayan üreteçler enerji gereksinimini karşılamada yardımcı olabilir. Güneş paneli ya da rüzgâr türbini kullanan ve ihtiyacından fazla elektrik enerjisi üreten bir ev sahibi ya da dizel jeneratör kullanan bir ofis enerji fazlasını şebekeye satan küçük birer üretim tesisi olabilir. Bu gibi kaynaklar elektrik kurumunun talimatı ya da üretim fazlası olan kullanıcının elektrik enerjisini satma arzusu ile aktif hale geçirilebilir. Pek çok küçük üreticiye ürettikleri fazla elektriği şebekeye aldıkları fiyattan satma imkânı verilebilir. Bunların ötesinde "akıllı şebekeler" kurulması yönünde ciddi çabalar süregelmektedir. Birleşik Devletler'de 2005 yılında kabul edilen Enerji Politikası Yasası ve 2007 yılında kabul edilen Enerji Bağımsızlığı ve Güvenliği Yasası ile akıllı şebekeler geliştirilmesini teşvik için finansman sağlanmaktadır. Umut edilen elektrik kuruluşlarının ihtiyaçlarını daha iyi kestirebilmesi ve yeri geldiğinde saate bağlı tarifeler uygulayarak kullanıcılarını da işin içine dahil edebilmesidir. Ayrıca daha sağlam enerji kontrol tekniklerinin geliştirilebilmesi için de gerekli kaynak ayrılmıştır.

İletim kapasitesini dramatik olarak artıracak planlanmış veya önerilen çeşitli sistemler "süper" ya da "mega" şebekeler olarak adlandırılmaktadır. Vadedilen faydaları arasında yenilenebilir enerji üreticilerinin üretimlerini uzak mesafelere satabilmesi, geniş coğrafi alanlara dengeli olarak yaymak suretiyle kesintili enerji kaynaklarının kullanımının artırılması, enerji şebekelerinin verimini düşüren tıkanıklıkların önlenmesi sayılabilir. Süper şebekelerin önündeki en büyük engel yeni hatlar inşasına karşı olan direnç ve yatırım maliyetleridir. Avrupa için yapılan bir süper şebeke çalışması beşer GW HVDC hatları halinde inşa edilebilecek toplam 750 GW kadar bir ilave iletim hattı kapasitesi öngörmektedir. Transcanada tarafından sunulan yakın tarihli bir teklifte 1600 km uzunluğunda, 3 GW kapasiteli bir HVDC hattı için 3 milyar Amerikan Doları fiyat verilmiş ve 60 metre genişliğinde bir koridor gereksinimi belirtilmiştir. Hindistan'da yakın tarihli bir teklifte 1850 km uzunluğunda 6 GW bir hat için de 790 milyon Amerikan Doları fiyat verilmiş ve 69 metre genişliğinde bir koridor gereksinimi belirtilmiştir. Avrupa'nın ihtiyaç duyacağı düşünülen 750GW HVDC hattı kapasitesi için gerekecek para kayda değer görünmektedir.

Geleceğin eğilimleri
Liberalleşme sürdükçe işletmeci kuruluşların yatırım mallarını piyasaya satması ya da kiralaması ve diğer bir takım finansal düzenlemeler gündeme gelebilir. Dış ülkelerden satın almalar ile küreselleşme hareketleri olmaktadır. Yakın dönemde, dünyadaki en büyük özel sermayeli elektrik kuruluşu olan Birleşik Krallık Ulusal Şebekesinin New England elektrik sistemini 3.2 milyar dolara satın alması bunlara bir örnektir. Özellikle sayaç okuma maliyetlerinin düşürülmesi konusunda birlikte hareket etmenin avantajlarından yararlanmak isteyen yerel elektrik ve gaz şirketleri operasyonlarını birleştirmeye başlamışlardır. Örnekleri günümüzde de görülmeye başlayan, uzaktan veri takibi ve tesis kurulum çalışmalarında yarar sağlayacak, uzay çalışmalarında kullanılan yakıt hücresi teknolojisi, jet uçaklaında kullanılan hava-türevli gaz türbinleri, güneş enerjisi mühendisliği ve fotovoltaik sistemler, açık deniz rüzgâr santralları, özellikle miktroişlem teknolojisinin getirdiği telekomünikasyon teknolojileri gibi teknolojik gelişmeler rekabetçi toptan satış pazarlarında önemli yer alacaktır.

Sistem altyapısı, gelişmiş enerji üretimi, tedariki ve tüketimi, gelişmiş sayaç okuma, uzaktan izleme ve sistem yönetimi ve ileri komünikasyon teknolojilerini destekleyecek enerji, enformasyon ve iletişim alytapısıdır. Geleneksel şebekeden akıllı şabekelere geçişte fiziksel altyapı sayısal sistemlerle yer değiştirecektir. Gereksinimler enerji endüstrisinin bugüne kadar karşılaştığı en büyük meydan okumadır.

Yönetim sistemi akıllı şebekelerde ileri yönetim ve kontrol işlevlerini yerine getiren alt sistem olacaktır. Mevcut çalışmaların çoğunluğu eldeki altyapı kullanılarak enerji verimliliği, talep profili, kurumsallaşma, maliyetler ve salınımların iyileştirilmesi için optimizasyon, makine öğrenimi ve oyun kuramı gibi yöntemler kullanır. Akıllı şebekelerdeki ileri altyapı iskeletinde gitgide daha fazla ve yeni idari servisler ve uygulamaların ortaya çıkması ve sonuç olarak kullanıcıların günlük yaşamının tümden değişmesi beklenmektedir.

Koruma sistemi akıllı şebekede ileri şebeke güvenilirlik analizi, arıza koruması, güvenlik ve gizlilik koruması gibi işlevleri yerine getirecek alt sistemdir. Bu gelişmiş altyapı bize arıza ve aldırılara karşı daha güçlü savunma olanakları sunmanın yanında pek çok yeni zayıflıklara da yol açabilir. Örneğin NIST kurumu yeni akıllı şebekelerdeki iki yönlü zengin veri trafiği, akıllı sayaçlar ve diğer elektronik donanımın mahremiyet yönünden bir zayıflık tekil edebileceğine dikkat çekmektedir. Sayaçta saklanan enerji kullanım bilgisi zengin bir yan bilgi kaynağı olarak kullanılabilir. Bu bilgiler meraklı kişi ve kuruluşlar tarafından abone hakkında alışkanlıklar, davranış biçimleri, etkinlikler ve hatta inançlarla ilgili gizli olması gereken kişisel bilgiler edinmek bunları ticari ya da diğer maksatlar için kullanılmasına olanak verecektir.

Kaynakça